JPH0685541A - 可変周波数発振回路 - Google Patents

可変周波数発振回路

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JPH0685541A
JPH0685541A JP5000319A JP31993A JPH0685541A JP H0685541 A JPH0685541 A JP H0685541A JP 5000319 A JP5000319 A JP 5000319A JP 31993 A JP31993 A JP 31993A JP H0685541 A JPH0685541 A JP H0685541A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 負性抵抗手段を含む負帰還方式に発振回路を
成立せしめて発振周波数可変範囲が広く、発振の安定性
が大きく、発振波形が歪まないより改善された可変周波
数発振回路を提供する。 【構成】 第1および第2可変相互コンダクタンス増幅
器10,11と、第1可変相互コンダクタンス増幅器1
0の出力端子と第2可変相互コンダクタンス増幅器11
の正入力端子との間に連結された第1コンデンサC
1と、負性抵抗回路12および第2可変相互コンダクタ
ンス増幅器11の出力端子と第1可変相互コンダクタン
ス増幅器10の負入力端子との間に連結された第2コン
デンサC2とで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は発振回路に係り、特に周
波数可変範囲が広く、高周波特性が優れ、さらに周波数
選択度がより改善された可変周波数発振回路に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、半導体集積回路の技術開発で複雑
な構成のアナログ−デジタル回路を大規模集積回路に代
替して効果的な量産、低価格および大きさの縮小化が行
なわれている。たとえば、オーディオ機器およびVCR
(Video Cassette Recorder)
のような商用製品において係る趨勢に応じて集積化され
た単一チップ構成の信号処理器が採用されている。
【0003】これら信号処理器はたとえば、高度の安定
性を提供するPLL(PhaseLocked Loo
p)装置であって、集積化によりこれら回路部品が同一
特性をもって形成されて前記した長所とともに高品質お
よび設計の容易性を提供する。
【0004】係る集積回路装置すなわちICが、PLL
システムを構成するためその内部にVCO(Volta
ge Controlled Oscillator)
を含む場合、この回路を構成する多くの方式があるが、
特にバンドパスフィルタ(BPF)と正帰還増幅器とか
らなる回路構成が提供される。
【0005】これに関する従来の例がIEEE Tra
nsactions on Consumer Ele
ctronics,Vol.35,No.4 Nove
mber 1989 p744に記載されている。これ
を図1に示す。
【0006】バンドパスフィルタ1と正帰還増幅器4と
で構成された前記のVCO回路は、BPFの中心周波数
で発振し、この中心周波数はさらに電圧制御を可能にす
る。
【0007】VCOのBPF1は、可変相互コンダクタ
ンス増幅器2、3と、コンデンサC O とで構成され、正
帰還増幅器4は抵抗Rと電圧−電流変換器5とで構成さ
れる。
【0008】この回路構成において、電圧−電流変換器
5はこの変換器の入力電圧VO に対応する電流IO すな
わち、VCO回路の出力VO は回路分析を通じて次式で
表現される。
【0009】 VO ={ωO S(RIO )}/{S2 +(ωO /QO )S+(ωO 2 )} ここで、ωO はgm/CO でQO は1/(gmR)で、
Sは複素周波数変数である。gmは相互コンダクタンス
である。
【0010】上記式から分かるように、抵抗RはBPF
1に対する減衰器として作用し、抵抗Rの値はBPF1
の選択度QO を支配する。すなわち、BPF1の高い選
択度およびVCOの発振動作時に安定な周波数を得るた
めには、負荷抵抗Rの値を小さくしなければならない。
【0011】上記式ではωO は2πfO であるからVC
Oの発振周波数fO が分かるが、可変相互コンダクタン
ス増幅器2、3の相互コンダクタンス(gm)値は基準
電圧と可変電流との比であるため、発振周波数fO は可
変相互コンダクタンス増幅器の入力電圧と可変電流とに
より可変できる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、係る構
成のVCO回路は、発振回路の条件を満たすよう正帰還
方式を採用しているが、これによって、可変相互コンダ
クタンス増幅器のアクティブ素子が非線形領域において
動作することになり、可変相互コンダクタンス増幅器の
動作特性に影響を与えて相互コンダクタンス値が不安定
になる。相互コンダクタンス値は、特に、VCO回路の
周波数に関係しているため、相互コンダクタンス値の不
安定さはVCOの発振周波数の可変範囲の幅広い設定お
よび高周波安定性に悪影響を与える。
【0013】したがって、設計された値と実際の正帰還
に従う相互コンダクタンス値の変動による実際の発振周
波数とは多くの誤差が生じるようになり、歪んだ発振波
形の高周波成分は、この回路に連結されたさらに他の機
能の回路にノイズとして作用するという問題点がある。
【0014】本発明の目的は前記課題を解決するため構
成された可変周波数発信回路を提供することであり、特
に、負性抵抗手段を含んだ負帰還方式により発振回路を
構成して発振周波数の可変範囲が広く、発振の安定性が
大きく、発振波形が歪まないように改善された可変周波
数発振回路を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の可変周波数発振
回路は、第1および第2可変相互コンダクタンス増幅器
と、第1可変相互コンダクタンス増幅器の出力端子と第
2可変相互コンダクタンス増幅器の正入力端子とを接続
する第1導体と、第1導体と接地端子との間に連結され
た第1コンデンサならびに負性抵抗回路と、第2可変相
互コンダクタンス増幅器の出力端子と第1可変相互コン
ダクタンス増幅器の負入力端子とを接続する第2導体
と、第2導体と接地端子との間に連結された第2コンデ
ンサとを含み、第1および第2可変相互コンダクタンス
増幅器のそれぞれの正および負入力端子は接地されてお
り、連結された第1および第2可変相互コンダクタンス
増幅器は直流制御入力電圧に応じて相互コンダクタンス
値を変化させて対応可変周波数信号を第2可変相互コン
ダクタンス増幅器が出力するようにしたことを特徴とす
る。
【0016】
【実施例】以下、添付図面、図2ないし図5に基づいて
本発明の実施例を詳細に説明する。なお、これら回路に
用いるトランジスタは原則として同一特性とする。
【0017】図2は本発明の回路構成図であり、第1可
変相互コンダクタンス増幅器10と第2可変相互コンダ
クタンス増幅器11とは同一構成の回路であって、同一
チップ上に形成し、動作特性も同一である。
【0018】そして、第1可変相互コンダクタンス増幅
器10と第2可変相互コンダクタンス増幅器11との間
に介した負性抵抗回路12は本発明に従う回路であっ
て、負帰還増幅器に発振条件の付与、選択度の調節およ
び周波数の安定のため設けたものである。これに対する
具体的な構成および動作は後に詳細に説明する。
【0019】相互コンダクタンス増幅器とはこれに入力
された電圧制御信号VCTL により相互コンダクタンス値
を調節して発振周波数を変化する増幅器であり、前記電
圧制御信号VCTL は発振周波数の設定のための条件信号
で、これは、図1の場合と同一であるが、VCTL の与え
られた条件下において回路は安定に動作しなければなら
ない。
【0020】第1および第2可変相互コンダクタンス増
幅器10、11は同一構成であり、その例を図4および
図5に示す。
【0021】しかし、発明の回路構成によれば、電圧制
御信号VCTL の供給およびバイアス電圧供給がなければ
ならないので、このため、本発明の回路の前段には前置
回路を設けるが、これを図3に示す。この回路から供給
される信号は、この回路に連結された本発明の回路に印
加される。
【0022】図3の回路は、一定な直流DC電圧VDC
電圧制御信号VCTL とを受けてバイアス信号VBSと相互
コンダクタンス調整信号Vgmとを出力する。
【0023】そして、図において、符号Eは図4および
図5の可変相互コンダクタンス増幅器の接続される接地
の連結関係を示すものである。
【0024】一定電流電圧VDCは、電流ミラー回路を構
成しているトランジスタQ4 、Q5に常に一定の電流が
流れるようにする。この2つのトランジスタのベースに
連結される相互コンダクタンス増幅器(図4および図5
参照)を含んでいる多数のトランジスタは、一定なバイ
アス電流が流れるようにする。この連結状態は、図4お
よび図5から分かる。
【0025】電圧制御信号VCTL は直流電圧であって、
可変信号である。すなわち、変化した電圧に応じてこれ
に対応する周波数を出力する回路がVCOであるが、こ
の変化可能な電圧制御信号VCTL はこの信号をトランジ
スタQ1 を介して受けるトランジスタQ2 、Q3 が電流
ミラー回路構成であるので、この2つのトランジスタの
ベースに連結される第1および第2可変相互コンダクタ
ンス増幅器に対してトランジスタの電流が順次変化して
前記増幅器の相互コンダクタンス値が変化する。
【0026】したがって、相互コンダクタンス値が変わ
ることにより、発振周波数が変化する。この連結状態は
図4および図5から分かる。
【0027】図4は、第1可変相互コンダクタンス増幅
器を示すものであり、図3の前置増幅回路の出力とお互
いに連結されており、その出力は、コンデンサでC1
本発明の負性抵抗回路12により減衰した電圧V01とし
て出力される。第1可変相互コンダクタンス増幅器の正
入力端子Eには第3のEと第2可変相互コンダクタンス
増幅器である図5のEとが連結される。
【0028】図2のブロック図において、VCO出力電
圧VO は帰還されて第1可変相互コンダクタンス増幅器
10の負入力端子に連結されるが、図4にその連結状態
を示す。帰還信号VO は接地されたコンデンサでC2
経て第1可変相互コンダクタンス増幅器10の負入力端
子すなわちトランジスタQ12のベース端子に連結され
る。
【0029】そして、図3のVgmおよびVBSは図4およ
び図5において、それぞれトランジスタQ17、Q57およ
びトランジスタQ18、Q58のベース端子に印加される。
【0030】前記可変相互コンダクタンス増幅器10、
11のそれぞれのトランジスタQ17およびQ57のミラー
電流が変化して相互コンダクタンス値が変化するとき、
図3のトランジスタQ8 、図4および図5のトランジス
タQ17および図5のトランジスタQ57のコレクタに流れ
る電流は同一値になる。
【0031】一方、相互コンダクタンス値の変動に応じ
た図3のトランジスタQ10のコレクタ電流が前記トラン
ジスタのコレクタ電流と同一であるが、このトランジス
タQ 10は、これに連結された図4および図5のトランジ
スタQ19およびQ59とともに電流ミラーを構成するの
で、可変相互コンダクタンス増幅器は安定な動作をする
ようになる。
【0032】相互コンダクタンスgmは、入力電圧に対
する出力電流の変化率で示すが、電圧制御信号VCTL
変化によって電流IX (図3参照)が説明したように、
変化可能に動作し、後述するこの相互コンダクタンス値
は発振周波数fO に対する線形係属変数として作用する
ので可変相互コンダクタンスによるVCOが成立する。
【0033】電圧により相互コンダクタンス値が変動す
るが、それ自体が発振を起こすものではない。
【0034】第2可変相互コンダクタンス増幅器の正入
力端子には第1可変相互コンダクタンス増幅器の出力が
負性抵抗回路12を経て出力された電圧V01が入力され
る。以下、これについて詳細に説明する。
【0035】まず、負性抵抗回路12に係るVCO回路
の出力VO が伝達関数として表現されることを説明す
る。図2の回路構成を見るとき、VO 値が次のような式
で表わされる。
【0036】 VO ={(gm/C)S}/{S2 +(G/C1 )S+(gm1 gm2 )/( C1 2 )} ここで、gm1 およびgm2 の各添字は、第1および第
2可変相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンス
を示すが、gm1 とgm2 とが同一である場合、相互コ
ンダクタンスgmで表示する。そして、コンデンサでC
1 とC2 とが同一である場合Cで表示し、ωO はgm/
Cで、QO はZin・(gm/C)に比例する。そし
て、Gは等価コンダクタンスで、Zinは図6のノード
点N1 、N 2 において回路を見たインピーダンスであ
る。
【0037】係る伝達関数から発振周波数fO は、IX
/2πCVS であるので、gmおよびCの値からただち
に決定されることが分かる。IX は、前述したように、
電流ミラーを構成するトランジスタQ2 、Q17、Q57
コレクタ電流であり、これらは同一である。VS は、相
互コンダクタンス回路のバイアス電圧である。したがっ
て、IX を変化させると周波数を変化させるようにな
る。
【0038】選択度は負性抵抗回路の抵抗値Zinから
容易に調節可能である。そして、負性抵抗回路は発振条
件を満たして電圧に対応する発振周波数を生成する。
【0039】図6において、符号E、V01、VBSなど
は、その意味において、前述した符号と一致する。本発
明に従う負性抵抗回路は、基準電流供給部51の第1基
準電流I1 を受けるトランジスタQ32、Q33と、第2基
準電流I2 を受けるトランジスタQ31、Q34においては
トランジスタQ33とQ34とのエミッタに連結されたそれ
ぞれの抵抗R3 とR4 とがお互いに連結される接点にバ
イアス用トランジスタQ 35が連結され、前記トランジス
タQ31とQ32とのそれぞれのエミッタに連結されたそれ
ぞれの抵抗R1 およびR2 がお互いに連結される接点に
バイアス用トランジスタQ36が連結され、トランジスタ
33のベースはトランジスタQ31のコレクタ(ノードN
2 )に、そしてトランジスタQ34のベースはトランジス
タQ32のコレクタ(ノードN1 )に連結されて、ノード
2 の電圧VZin および電流は負抵抗特性を有するよう
構成される。
【0040】また、基準電流供給部51にはトランジス
タQ37、Q38がそれぞれ接続され、このトランジスタQ
37、Q38のコレクタと電源間には抵抗R7 とR8 とが連
結されており、これらのそれぞれの電流I2 、I1 は基
準電流供給部51のトランジスタQ37〜Q41を通じて流
れる基準電流Iref1と一定な比例関係がある。それは、
トランジスタQ37、Q38と基準電流が流れているトラン
ジスタQ40とがお互いに電流ミラー関係にあるためであ
る。同一な大きさの電流I1 、I2 は図6の基準電流供
給部51から供給される。
【0041】ノードN1 およびN2 における電圧VR
Zin が同一なバイアス状態にあるとき、トランジスタ
31とQ32、そして、トランジスタQ33とQ34とのコレ
クタ電流はお互いに同一である。この状態において、V
R 電圧よりVZin 電位が高い場合にはトランジスタQ31
のコレクタ電流はトランジスタQ32のコレクタ電流より
多く流れるので、トランジスタQ33のコレクタ電流がト
ランジスタQ34のコレクタ電流より多く流れるようにな
る。
【0042】このとき、同一バイアス条件の代わりに抵
抗値の条件として、R1 =R2 >R 3 =R4 およびR6
>R5 と設定するとき、同一の電位変化幅に対しトラン
ジスタQ31のコレクタ電流よりトランジスタQ33のコレ
クタ電流の変化幅が大きくなる。
【0043】一方、トランジスタQ33のコレクタ電流は
基準電流を供給しているトランジスタQ38の第1基準電
流I1 より充当され、トランジスタQ34のコレクタ電流
は同一な第2基準電流I2 を供給しているトランジスタ
37より充当される。
【0044】したがって、ノードN2 の電位VZin がノ
ードN1 の電位VR より高い場合にはトランジスタQ38
のコレクタ電流がトランジスタQ33のコレクタ電流を増
加せしめ、トランジスタQ32のコレクタ電流は減少せし
める。これとともに、トランジスタQ37のコレクタ電流
はトランジスタQ31のコレクタ電流を増加せしめ、トラ
ンジスタQ34のコレクタ電流を増加せしめるように流れ
る。しかし、トランジスタQ31のコレクタ電流が増加さ
れる比率よりトランジスタQ34のコレクタ電流が減少さ
れる比率が少ないため、第2基準電流I2 の一部がノー
ドN2 のほうに抜出すようになる(+IZin 方向)。
【0045】前記とは逆に、VZin <VR である場合、
トランジスタQ34のコレクタ電流の増加に対する電流が
ノードN2 の電位から供給される(−IZin 方向)。
【0046】したがって、ノードN2 の電位VZin が増
加するとIZin が+になり、逆に、ノードN2 の電位V
Zin が減少するとIZin が−になり、電圧の増減に対す
る電流の増減が逆比例関係にあるため、ノードN2 にお
いて、この回路を見たインピーダンスは負インピーダン
スになる。
【0047】ノードN1 は全回路構成において、Eに連
結される接地状態であり、コンデンサでC1 を経てノー
ドN2 において負の負性抵抗回路のコンダクタンスZi
nを経て第1可変相互コンダクタンス増幅器の出力電圧
01は第2可変相互コンダクタンス増幅器に供給され
る。
【0048】負性抵抗回路12は負インピーダンス値に
第2可変相互コンダクタンス増幅器の正入力端子に連結
されていて、負帰還および負抵抗により発振条件を構成
する。
【0049】正帰還方式とは異なり、第2可変相互コン
ダクタンス増幅器内のトランジスタの負性抵抗回路によ
ってアクティブ領域において動作されるため、発振周波
数の安定および可変範囲を拡大させて線形性を保障す
る。アクティブ領域においてトランジスタの動作状態が
高周波歪み問題を改善するため本発明の目的に従う解決
策がここから得られる。
【0050】VCOの出力電圧VO は、VCRのような
装置において用いられるPLLシステム内において、た
とえば、5.04MHz周波数を有する出力信号は他の
回路に入力されるとともに第1可変相互コンダクタンス
増幅器の負入力端子に発振信号として入力される。第1
可変相互コンダクタンス増幅器においても、トランジス
タがアクティブ領域で動作しながら発振し、その出力V
01が第2可変相互コンダクタンス増幅器に入力されるが
相互コンダクタンスgmの変化があるとき、V 01値が変
わっても負性抵抗回路12はなお第2可変相互コンダク
タンス増幅器に負インピーダンス値として作用し、その
値は変更された値により再度設定される。
【0051】
【発明の効果】以上のように、本発明の回路は可変相互
コンダクタンス増幅器によるVCO回路において負帰還
方式の採択と負性抵抗回路による発振条件充足およびこ
れによる周波数の安定、発振周波数の可変範囲の拡大、
歪みのない発振波形の提供を実現し、信頼性のあるVC
Oが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のVCOの回路構成図である。
【図2】本発明の回路構成図である。
【図3】本発明の回路の前段に設けられる前置回路の詳
細構成図である。
【図4】本発明の第1可変相互コンダクタンス増幅器の
詳細構成図である。
【図5】本発明の第2可変相互コンダクタンス増幅器の
詳細構成図である。
【図6】本発明に従う負性抵抗回路の詳細構成図であ
る。
【符号の説明】
10 第1可変相互コンダクタンス増幅器 11 第2可変相互コンダクタンス増幅器 12 負性抵抗回路 I1 第1基準電流 I2 第2基準電流 Q31〜Q40 トランジスタ R1 〜R8 抵抗

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1および第2可変相互コンダクタンス
    増幅器と、 前記第1可変相互コンダクタンス増幅器の出力端子と前
    記第2可変相互コンダクタンス増幅器の正入力端子とを
    接続する第1導体と、 前記第1導体と接地端子との間に連結された第1コンデ
    ンサならびに負性抵抗回路と、 前記第2可変相互コンダクタンス増幅器の出力端子と前
    記第1可変相互コンダクタンス増幅器の負入力端子とを
    接続する第2導体と、 前記第2導体と接地端子との間に連結された第2コンデ
    ンサとを含み、 前記第1および第2可変相互コンダクタンス増幅器のそ
    れぞれの正および負入力端子は接地されており、前記連
    結された第1および第2可変相互コンダクタンス増幅器
    は直流制御入力電圧に応じて相互コンダクタンス値を変
    化させて対応可変周波数信号を前記第2可変相互コンダ
    クタンス増幅器が出力するようにしたことを特徴とする
    可変周波数発振回路。
  2. 【請求項2】 前記負性抵抗回路は、 前記回路が有する基準電流供給部の第1基準電流を受け
    る第1および第2トランジスタと、 第2基準電流を受ける第3および第4トランジスタと、 前記第2および第4トランジスタのエミッタに連結され
    た第1および第2抵抗がお互いに連結される接点に連結
    された第1バイアス用トランジスタと第3抵抗と、 前記第1および第3トランジスタのそれぞれのエミッタ
    に連結された第4および第5抵抗がお互いに連結される
    接点に連結される第2バイアス用トランジスタと第6抵
    抗とを含み、 前記第2トランジスタのベースは第3トランジスタのコ
    レクタ(第1ノード)に、そして、第4トランジスタの
    ベースは第1トランジスタのコレクタ(第2ノード)に
    連結され、前記第1ノードの電圧および電流は負抵抗特
    性を有するよう構成されたことを特徴とする請求項1記
    載の可変周波数発振回路。
  3. 【請求項3】 第1および第2基準電流を供給する基準
    電流供給部の第7および第8抵抗が供給電源に連結さ
    れ、前記第7および第8抵抗のそれぞれに連結された第
    5および第6トランジスタは第3基準電流が流れる第7
    トランジスタとともに電流ミラーを構成し、前記第1お
    よび第2基準電流は同一の大きさで出力されることを特
    徴とする請求項2記載の可変周波数発振回路。
  4. 【請求項4】 前記第1抵抗の抵抗値をR1 、前記第2
    抵抗の抵抗値をR2、前記第3抵抗の抵抗値をR3 、前
    記第4抵抗の抵抗値をR4 、前記第5抵抗の抵抗値をR
    5 、前記第6抵抗の抵抗値をR6 、前記第8抵抗の抵抗
    値をR8 としたとき、R4 =R5 >R1 =R2 およびR
    3 >R8 、R3 >R6 であることを特徴とする請求項2
    記載の可変周波数発振回路。
  5. 【請求項5】 前記第1抵抗の抵抗値をR1 、前記第2
    抵抗の抵抗値をR2、前記第3抵抗の抵抗値をR3 、前
    記第4抵抗の抵抗値をR4 、前記第5抵抗の抵抗値をR
    5 、前記第6抵抗の抵抗値をR6 、前記第8抵抗の抵抗
    値をR8 としたとき、R4 =R5 >R1 =R2 およびR
    3 >R8 、R3 >R6 であることを特徴とする請求項3
    記載の可変周波数発振回路。
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